起重机能耗状况的实测与分析.docx

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起重机能耗状况的实测与分析

起重机能耗状况的实测与分析

摘要：

能源是战略资源，是社会全面发展的重要物质基础。

节约能源是解决能源和环境问题的根本措施，是提高经济增长质量和效益的重要途径，是增强企业竞争力的必然要求。

起重机械是国民经济建设的重要设备，随着社会的发展其使用数量也在不断增长。

桥、门式起重机和电动葫芦起重机是实际应用数量较多的起重设备，起动过程和制动过程的能耗是整个运行过程中能量损耗的重要组成部分，因此，在研究其能源使用中有必要对这2个过程的能耗情况进行测试，便于科学合理地分析其功耗，揭示节能途径。

关键词：

起重机；起升机构；能量损耗；节能技术

起重机是国民经济建设的重要基础设备，其安全状况直接关系到人民群众的生命财产，其能耗状况直接反映出能源利用的管理水平。

在我国能源消耗形势严峻的情况下，贯彻落实《中华人民共和国节约能源法》，配合生产单位、使用单位做好节能工作，依据国务院2009年公布的《特种设备安全监察条例》要求鼓励起重机械企业对节能技术的研究、开发、示范和推广，促进其节能技术的创新和应用，建立和考核起重机械的能效指标等节能工作是特种设备安全监督管理部门和检验检测机构当前的重要工作。

通过对目前本地区在用起重机能耗现状情况的调查分析研究，可为起重机设计、制造、改造和使用单位节能工作的开展提供参考依据。

通过对桥式起重机、电动葫芦起重机等起重设备的现场测试工作和分析研究，可初步了解这类起重机使用中的实际能耗情况，得出节能的空间和方向，供业内共享和交流，提高节能意识。

1桥式起重机能耗分析

起重机的交流电机拖动系统采用三相异步电动机驱动，而三相异步电动机的构造决定了起重机的调速控制方式分为3种基本类型，即变极调速、变转差率调速和变频调速。

变极调速因电动机定子极对数的成倍变化而使其转速也成倍变化。

由于变极时的工艺原因和换极时的电流问题，变极调速一般只用在较小容量的电动葫芦电动机上。

国产钢丝绳电动葫芦采用的电动机单速为4极，双速为1/10的子母电机的变极调速，国外钢丝绳电动葫芦有采用在单一电机中变极对数的调速方法。

变转差率调速是以消耗在电动机转子上大量转差功率为代价而使其达到变速目的，是一种耗能较大的调速形式。

但因其简单可靠而广泛使用于桥、门式起重机上。

变频调速是以改变电动机供电电源的频率而使其具有调速范围大、机械特性硬、调速平滑的特点，在低速向高速过渡中具有明显的节能效果。

为了进一步了解各类起重机能耗情况和节能空间，采用对在用起重机现场等载荷对比测试方法，即对2台50t桥式起重机进行等载荷等高度吊重运行的对比试验，其中1台用主令控制器控制电动机在转子回路中串接起动电阻的调速方式（以下简称为接触器控制起重机），另一台用主令控制器控制电动机在定子回路中串接变频器的调速方式（以下简称为变频器控制起重机）。

通过测试发现这2台起重机起升机构在起吊50t载荷做上升、下降运动时所消耗的有功功率是不同的。

图1、图2分别是2台起重机的有功功率波形图。

图1接触器控制起升机构升降功率图

图2变频器控制起升机构升降功率图

从图1可以看出，起重机在起吊50t重物时，电动机的功率冲击峰值为73.7kW，其稳态功率值为55.5kW，冲击值是稳态值的1.33倍。

虽然起重机在下降运行时势能转换成电能，但由于上升时功率冲击峰值的作用时间长，使其总的等效功率为73.44kW。

图2中变频器控制的起重机因装有制动单元，所以只有正向上升功率，反向下降时的功率曲线显示为0。

下降时所有势能均消耗在制动电阻上（据有关资料报道，若采用能量反馈，可节能20%～40%）。

其上升时功率冲击峰值为62kW，而且作用时间短，变频器控制的起重机总等效功率约为56.12kW。

上述2种不同控制形式的起重机在同等试验条件下，总功率差值为17.32kW，可以得出采用变频器控制后的节电率为23.58%。

由于采用了变频控制技术，起重机供电线路的功率因数也大为改善。

本次测试发现：

图1控制方式的起重机稳态时电动机的功率因数为0.8，图2控制方式的起重机稳态时电动机的功率因数为0.93，由此可知变频调速不仅可以节能，而且还可以提高线路的功率因数，使整个供电系统得到节能的效果。

桥式起重机由转子中串接起动电阻控制的系统改为变频调速控制系统后，不但能使得起、制动过程中速度平稳变化，大大减少起重机的机、电冲击现象，其本身节约了电能，而且还可以提高电动机的功率因数，节约了供电系统的能量，对起重设备的安全运行和能源的充分利用作用显著。

2电动葫芦起重机能耗分析

电动单梁起重机、电动单梁悬挂起重机及钢丝绳电动葫芦因其结构紧凑，制造方便、安装容易、维修简单、价格低廉及操作灵活，而广泛用于小吨位起重作业。

该类起重设备大多采用手电门式的按钮控制形式。

由于按钮控制的原因，电动葫芦起重机吊运时的最大特点是离地起吊和下降落地时都会采用点动控制方式来完成搬运任务，对于非变极调速、非变频的电动葫芦起重机来说，在这2个瞬间极易产生电气冲击带来机械冲击现象。

对采用普通接触器按钮控制（以下简称接触器控制的起重机）和变频器按钮控制（以下简称变频器控制的起重机）2种不同控制形式的电动葫芦起重机进行吊载试验。

被测电动葫芦基本参数：

额定起重量5t；额定起升速度8m/min；电机额定功率7.5kW。

试验工况：

起吊2t载荷提升至2m。

测试其离地上升和下降落地时的瞬态冲击电流、瞬态冲击功率和匀速上升和下降时的稳态工作电流和稳态有功功率，其测试数据见表1、表2。

表1普通接触器控制电动葫芦能耗（起吊载荷2t）

工况

工作电流/A

工作电压/V

有功功率/kW

离地上升

28

370

19.8

匀速上升

11

368

3.8

匀速下降

10

37

-1.6

下降落地

25

374

17.9

由表1可以看出，起重机在做匀速上升运行时的电机工作电流11A，有功功率3.8kW，匀速下降时的工作电流10A，有功功率-1.6kW。

而在离地上升或下降落地点动时的冲击电流的峰值分别为28A和25A，分别为稳定运行时的2.8倍和2.5倍；冲击功率的峰值19.8kW和17.9kW，分别为稳定运行时的5.2倍和4.7倍。

在下降稳态过程中机械势能转换成电能的一部分消耗在电动机的各种损耗上，剩余部分1.6kW反馈给电网。

在升、降点动的瞬间会带来极大电流冲击，导致电动机的瞬时功耗增大，电机温度急剧上升，极不利于电动机的使用寿命。

其总等效功率为6.87kW。

表2矢量控制变频器电动葫芦能耗情况（起吊载荷20kN，f=50Hz）

工作状态

工作电流/A

工作电压/V

有功功率/kW

离地上升

8.3

380

4.2

匀速上升

8

381

3.9

匀速下降

∕

∕

∕

下降落地

∕

∕

∕

注：

变频器未接能量回馈装置，在下降过程中转换的能量都消耗在制动电阻上，表中无数值。

由表2可以看出，采用变频器控制后，起吊离地瞬间点动操作时的工作电流为8.3A，有功功率为4.2kW，与匀速上升时的工作电流8A和有功功率3.9kW相差无几，这说明起动过程平稳，消除了电流冲击现象，基本没有冲击电流，与普通接触器控制方式相比，电流冲击现象和机械冲击现象都大为减少。

在没有能量反馈装置时，下降过程中的机械势能转化成电能，其一部分用于电机及传动部分的损耗，剩余部分消耗在变频器的外接电阻上，所以在下降过程中电动机的电流、电压、功率均不体现。

其等效功率为3.94kW，由此可见，普通接触器控制方式造成的冲击给电动机带来的功率损耗为2.93kW，变频器控制所带来的节电率可达42.65%。

3结论与分析

（1）电动葫芦试验时上下点动的操作频次为2次，而实际操作时一般不会低于2次。

操作频次越多，电流冲击次数越多，相应的等效功率越大，能耗也就越大，因此节能的空间也就越大，所产生的经济效益也就越显著。

（2）变频器控制的起重机不但具有机、电冲击小，运行稳定，定位准确，而且还有安全可靠，维修量小的特点。

（3）普通接触器控制与变频器控制对电路的功率因数的影响见表3。

由表3可以看到，当起重量减小时，普通控制方式起重机电路的功率因数下降很快，由0.82下降为0.40；变频器控制方式起重机电路的功率因数下降较缓慢，由0.87下降为0.68，对供电系统的节能作用明显。

两者功率因数的变化趋势见图3。

表3普通控制与变频器控制对电路的功率因数影响

起重量/t

控制方式

工作状态

有功功率/kW

无功功率/kW

视在功率/kW

功率因数cosφ

5

工频

上升

8.4

5.9

10.2

0.82

变频

上升

8.8

4.9

10.1

0.87

4

工频

上升

6.3

7.5

9.8

0.64

变频

上升

7.2

5.0

8.9

0.82

3

工频

上升

5.4

7.6

9.4

0.57

变频

上升

5.5

4.5

7.1

0.78

2

工频

上升

3.8

5.5

7.6

0.50

变频

上升

3.9

3.4

5.3

0.74

1

工频

上升

2.4

5.5

5.9

0.40

变频

上升

2.4

2.6

3.6

0.68

图3功率因数变化图

1.变频器控制2.普通接触器控制

图4功率因数节约电能的趋势图

1.实测点曲线2.趋势线

功率因数的提高，可减小供电系统对电动葫芦所提供的能量，它节约的电能随起重量的减轻而增大。

图4是表3中变频控制时节约的无功功率随起重量的变化，可以看出起重量越轻无功功率节约的越多，按趋势线回归方程式y=-0.34x+3.34，当起重量取2t时，节约的无功功率为2.66kW，相对于工频时5.5kW的无功功率节约了53.2%，由此可推算出平均节电2.32kW（-0.34×3+3.34），节电率可达30.5%（2.32/7.6）。

从上述试验可知，带有变频调速的起升机构其节能空间相当可观，对于桥式起重机类电动机的节电率约为23.58%，对于电动葫芦类的节电率约为42.65%。

同时由于功率因数的提高，使供电电网无功功率消耗降低，从而降低了供电系统的负担和能量损耗。

从目前发展情况来看，近几年出厂的桥、门式类起重机电控系统采用变频控制技术的已趋于普及化，而电动葫芦类小型国产起重设备采用变频技术控制的为数不多，对于进口或外资企业生产的这类起重机采用变频技术的占有率很高。

因此，对上述2类起重机中早期出厂的在用桥、门式起重机和目前一直在生产的电动葫芦类起重机，在适当时加以改造，采用变频技术，对节约电能和整机的使用寿命都是有利的，尤其是电动葫芦起重机变频设计和应用有着巨大的节能空间。

作者：

葛翔陈裕峰